周 源,高玉峰,陶 輝

(河海大學(xué)a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.巖土工程科學(xué)研究所,南京 210098）

中國是一個(gè)河流湖泊分布廣泛的國家,內(nèi)陸江河湖泊的泥沙淤積非常嚴(yán)重[1]。為了改善水質(zhì),建設(shè)港口,浚深加寬航道,需要進(jìn)行大規(guī)模的疏浚清淤作業(yè),不可避免地產(chǎn)生大量的淤泥[2-4]。

目前絕大部分內(nèi)陸疏浚淤泥采用堆泥場放置處理,廢棄于陸地拋填區(qū)或低洼地區(qū),占用大量的魚塘或耕田。疏浚淤泥含水率高、強(qiáng)度低,很難直接對疏浚淤泥進(jìn)行開發(fā)利用;疏浚淤泥粘粒含量高、透水性差,在自重作用下需要幾年甚至更長時(shí)間才能完成固結(jié)[5-9]。因此,需要快速降低疏浚淤泥的含水率,快速排出疏浚淤泥中所含大量的水,解決疏浚淤泥處置占地時(shí)間長,浪費(fèi)寶貴的土地資源的問題。

采用真空抽水加速固結(jié)的方法來處理疏浚淤泥,其中關(guān)鍵的問題是保證排水系統(tǒng)的有效性,這樣才能有效地降低淤泥中的水分,加速固結(jié)[10-11]。國內(nèi)很多工程都采用真空抽水方法[12],但是疏浚淤泥的粘粒含量一般較高,進(jìn)行常規(guī)真空抽水時(shí),排水通道很快就會(huì)被淤堵,導(dǎo)致常規(guī)的真空抽水方法在疏浚淤泥排水上效果很差[13-17]。

針對淤堵的問題,經(jīng)過2年多的試驗(yàn)研究[18],開發(fā)出了一種快速高效抽取高含水率疏浚淤泥中水的技術(shù)——透氣真空快速泥水分離技術(shù)[19-21],克服了在高含水率高粘粒含量的淤泥中抽水時(shí)存在的淤堵問題,同時(shí)能夠很快排出淤泥中的水分。

通過透氣真空快速泥水分離室內(nèi)試驗(yàn)與常規(guī)真空抽水室內(nèi)試驗(yàn)之后的取樣顆粒分析,從細(xì)顆粒流失的角度解釋了透氣真空快速泥水分離技術(shù)形成自然過濾層的機(jī)理,自然過濾層是多級顆粒拱架組成的過濾透水結(jié)構(gòu)層,阻止細(xì)顆粒在濾層材料內(nèi)部淤積,解決了淤堵問題。同時(shí)從微觀角度描述了透氣真空快速泥水分離技術(shù)從初始狀態(tài)開始形成過濾層的過程。

1 透氣真空技術(shù)的室內(nèi)模型取樣顆分試驗(yàn)

1.1 透氣真空與常規(guī)真空模型試驗(yàn)

取樣顆分試驗(yàn)是在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過在試驗(yàn)結(jié)束后的模型箱內(nèi)不同部位采樣進(jìn)行的顆分試驗(yàn)。透氣真空模型試驗(yàn)采用透氣真空快速泥水分離室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置,而常規(guī)真空是在上述模型試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上去除透氣系統(tǒng)。

模型試驗(yàn)的疏浚淤泥試樣取自南水北調(diào)東線江蘇段淮安白馬湖疏浚堆場,共有2種,基本性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 白馬湖疏浚淤泥物理性質(zhì)指標(biāo)

在原泥中加水,將淤泥含水率調(diào)整至目標(biāo)含水率并充分?jǐn)嚢杈鶆?進(jìn)行透氣真空快速泥水分離和常規(guī)真空抽水的室內(nèi)模型試驗(yàn),試驗(yàn)初始條件與參數(shù)取值見表2。

表2 模型試驗(yàn)初始條件與參數(shù)取值

在試驗(yàn)進(jìn)行過程當(dāng)中,按照事先計(jì)劃好的時(shí)間間隔,測讀記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù),包括飽和缸真空度、泥漿中管道內(nèi)的真空度、電子秤顯示的抽水重量、表面水的高度、淤泥泥面的高度和流量計(jì)的透氣速度。

1.2 透氣真空模型試驗(yàn)結(jié)束后的顆粒分析

在透氣真空快速泥水分離模型試驗(yàn)中,當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后,在透氣真空管道濾水段外部會(huì)存在一層外包泥層,如圖1所示。

圖1 外包泥層與濾管的相對位置

在上圖中,一點(diǎn)一點(diǎn)逐層削去外包泥層,在濾水段外側(cè)緊貼濾層材料的3個(gè)部位刮取適量泥樣后,將3處取得的泥樣混合,測定混合樣的顆粒分布。同時(shí)測定在飽和缸中的試驗(yàn)尾水中所含顆粒的粒徑分布。將兩者的結(jié)果匯同原泥顆分結(jié)果繪成圖2-圖4,典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)對比見表3-表5,這3個(gè)典型顆粒粒徑能夠較全面反映粒徑分布中較細(xì)顆粒組、較粗顆粒組以及中等粒徑顆粒組的含量分布情況。

圖2 透氣真空試驗(yàn)1不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表3 透氣真空試驗(yàn)1不同部位典型顆粒粒徑對比

表4 透氣真空試驗(yàn)2不同部位典型顆粒粒徑對比

圖4 透氣真空試驗(yàn)3不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表5 透氣真空試驗(yàn)3不同部位典型顆粒粒徑對比

1.3 常規(guī)真空淤堵模型試驗(yàn)結(jié)束后的顆粒分析

在常規(guī)真空快速泥水分離模型試驗(yàn)中,在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生淤堵,真空抽水作用無法進(jìn)行下去。當(dāng)發(fā)生淤堵試驗(yàn)停止后,在管道濾水段外部會(huì)存在一層較薄的外包泥層,一點(diǎn)一點(diǎn)逐層削去外包泥層,在濾水段外側(cè)緊貼濾層材料的3個(gè)部位刮取適量泥樣后,將3處取得的泥樣混合,測定混合樣的顆粒分布。同時(shí)測定在飽和缸中的試驗(yàn)尾水中所含顆粒的粒徑分布。將兩者的結(jié)果匯同原泥顆分結(jié)果繪成圖5-圖6,典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)對比見表6-表7。

圖5 常規(guī)真空試驗(yàn)1不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表6 常規(guī)真空試驗(yàn)1不同部位典型顆粒粒徑對比

圖6 常規(guī)真空試驗(yàn)2不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表7 常規(guī)真空試驗(yàn)2不同部位典型顆粒粒徑對比

1.4 顆粒流失分析

從上述5次試驗(yàn)之后的顆分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出在3次透氣真空快速泥水分離試驗(yàn)中,濾管邊緣和尾水中的顆粒分布曲線相應(yīng)于原泥發(fā)生了較大的改變,尾水典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)相應(yīng)于原泥有明顯減小,濾管邊緣處的泥樣典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)相應(yīng)于原泥均有增大,這表明在透氣真空技術(shù)中原泥中的細(xì)顆粒逐漸轉(zhuǎn)移到了尾水中,而粗顆粒留在濾層材料邊緣形成粗顆粒富集層。

而在2次常規(guī)真空試驗(yàn)中,發(fā)生了淤堵,濾管邊緣與尾水中的顆粒分布曲線相應(yīng)于原泥沒有發(fā)生較大變化,尾水、原泥、濾管邊緣處的泥樣典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)基本不變化,沒有發(fā)生顆粒分選作用。

從3次透氣真空快速泥水分離試驗(yàn)的顆粒頻率曲線可以看出濾管邊緣和尾水中的各粒徑組顆粒含量相應(yīng)于原泥發(fā)生了較大的偏移,濾管邊緣主要的顆粒為大顆粒,細(xì)粒組的顆粒含量很低;而尾水中的顆粒多為細(xì)顆粒,粗顆粒基本缺失。

從2次常規(guī)真空試驗(yàn)中的顆粒頻率曲線可以看出濾管邊緣和尾水中的各粒徑組顆粒含量相應(yīng)于原泥未發(fā)生明顯變化。

上述現(xiàn)象表明在透氣真空快速泥水分離方法中,濾層材料內(nèi)外會(huì)發(fā)生顆粒分選作用,靠近濾層材料的土體中細(xì)顆粒流失,粗顆粒富集;而發(fā)生淤堵的常規(guī)真空方法中,濾層材料附近的土體中不會(huì)發(fā)生顆粒分選流失,粒徑變化不明顯。由此可見,淤堵發(fā)生的與否與細(xì)顆粒流失,粗顆粒富集有著直接的關(guān)系。

2 透氣真空技術(shù)中拱架結(jié)構(gòu)防淤堵的機(jī)理

2.1 顆粒流失的意義——形成拱架結(jié)構(gòu)

當(dāng)含有細(xì)顆粒的不穩(wěn)定土體與濾層材料接觸時(shí),濾層材料的特征孔徑大于土體中的某一細(xì)粒組顆粒直徑,這些細(xì)顆粒就可以在滲透水流的作用下穿越濾層材料,被帶出體系之外,這個(gè)過程稱之為細(xì)顆粒的流失。細(xì)顆粒在多孔介質(zhì)中的遷移決定著土木工程中各種下部結(jié)構(gòu)物的特性,比如以土工織物作為上部或者下部地基襯墊的工程中的淤堵問題。不僅細(xì)顆粒的流失十分重要,而且細(xì)顆粒隨后的遷移停滯位置也有重要的研究意義[22]。

細(xì)顆粒流失后,原本占據(jù)的位置被空出來,土體形成疏松的結(jié)構(gòu),與土工濾層材料緊鄰的土體中的細(xì)顆粒流失最為嚴(yán)重,流失后的土體中剩下較粗的顆粒,由于上部荷載產(chǎn)生拱效應(yīng),這些粗顆粒互相搭接形成的一個(gè)拱架結(jié)構(gòu),這些相對較大的顆粒將同樣截留比自身稍小一點(diǎn)的顆粒,稍小一點(diǎn)的顆粒同樣形成拱架結(jié)構(gòu),并且繼續(xù)截留更小一級的顆粒,從而在與土工織物相鄰的土體中形成了一個(gè)粒徑逐步減小的多級拱架結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)疏松多孔,使得透水性增強(qiáng)。形成這樣多級結(jié)構(gòu)之后,能夠繼續(xù)再隨著動(dòng)態(tài)水流移動(dòng)穿越濾層材料的顆粒就會(huì)越來越少[23],降低了濾層材料被細(xì)顆粒淤堵的可能性。

由于力學(xué)中的拱效應(yīng),能夠承擔(dān)一定的壓力,因此這些顆粒并不會(huì)被完全壓密,繼而保留了相當(dāng)一部分過水空隙,這樣既保證了土體的穩(wěn)定性,又不至于造成濾層的淤堵失效。

透氣真空作用提供了一種動(dòng)態(tài)的水流作用,在土工織物濾層界面上出現(xiàn)水力梯度方向周期性的變化,使得濾層界面附近的滲透水流也呈現(xiàn)周期性的往復(fù)流動(dòng)。這種特殊的水動(dòng)力條件使得濾層附近淤泥土體中的細(xì)顆粒更容易被水流帶出,剩下的粗顆粒形成良好的拱架結(jié)構(gòu)。

2.2 拱架結(jié)構(gòu)防淤堵的作用

工程中常用的過濾材料主要分為2類,一類是土工合成材料,一類是天然散粒體材料。散粒體材料過濾層是粒徑漸次變化的多層散粒體材料構(gòu)成的過濾防滲透破壞結(jié)構(gòu),它依靠最內(nèi)層的細(xì)粒層來阻擋被保護(hù)土體中顆粒的流失,同時(shí)向外逐漸變粗的顆粒層又提供了良好的排水通道。

高翼強(qiáng)和陳德鋒[24]認(rèn)為采用非織造布作為過濾層時(shí),實(shí)際上是借助于非織造布和相鄰的土層共同組成一個(gè)漸次過濾層,它在外觀結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的多層級配粒料濾層很相似,但它是由于土工布的引入而自然形成的,無需人工去選料和進(jìn)行級配,施工方便,而且是就地取材。佘巍,陳輪等[25]也認(rèn)為在細(xì)顆粒流失、粗顆粒形成拱架結(jié)構(gòu)的過程中,土工織物實(shí)際上起到了催化劑的作用。毛昶熙,段祥寶等[26]進(jìn)一步提出了土工織物濾層的設(shè)計(jì)思想,他們認(rèn)為完全保住土體的細(xì)顆粒很難做到;而允許接觸處少許細(xì)顆粒被水流帶出去,留下粗顆粒與土工織物濾層組合起來發(fā)揮濾層作用,保住更深土體內(nèi)部的細(xì)顆粒的水動(dòng)力穩(wěn)定性的開放式濾層,更適宜在工程中應(yīng)用。陳輪,易華強(qiáng)等[27]通過模擬試驗(yàn)研究了這種土工織物過濾系統(tǒng)土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,認(rèn)為采用較大孔徑的土工織物作為過濾層,能更好地防止淤堵。

同樣的,在透氣真空快速泥水分離方法中,與土工濾層材料接觸的淤泥會(huì)形成一種類似于散粒體材料過濾層的拱架結(jié)構(gòu)過濾層,這種過濾結(jié)構(gòu)力學(xué)特性較為穩(wěn)定,同時(shí)滲透性好,有利于防淤堵。

3 透氣真空技術(shù)中拱架結(jié)構(gòu)的形成過程

從上述分析可以看出,透氣真空技術(shù)能夠防淤堵是因?yàn)樵跒V層邊緣部位土體中細(xì)顆粒自然流失而形成拱架結(jié)構(gòu)形式的過濾層,稱為自然過濾層,其具體形成機(jī)理可以分為如下4步(圖7)。

圖7 拱架結(jié)構(gòu)的形成過程

1)最靠近濾層的淤泥中細(xì)顆粒流失。在水流的帶動(dòng)下,靠近濾層材料孔隙的細(xì)顆粒被沖進(jìn)濾管中,然后隨著尾水流出來,這些細(xì)顆粒本來是填充著粗顆粒之間的間隙的,流失后粗顆粒之間間隙變大,原來的接觸消失了,開始在重力和水力作用下移動(dòng)。

2)較大顆粒形成拱架結(jié)構(gòu)。細(xì)顆粒流失后,粗顆粒之間變成了直接的接觸形式,由于拱效應(yīng)的支持,粗顆粒不會(huì)移動(dòng)得太劇烈,一般就在原位附近滯留搭接,形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)。同時(shí)拱效應(yīng)使得這種結(jié)構(gòu)可以承擔(dān)一定的荷載,這就是在一定的真空壓力下,該層結(jié)構(gòu)不至于破壞,保證了這樣一種透水效率很高的結(jié)構(gòu)的長效性。

3)次一級顆粒被最粗顆粒截留,形成次一級拱架結(jié)構(gòu)。最初的第一級粗顆粒拱架形成以后,形成的拱架結(jié)構(gòu)仍然具有較大的孔隙,在水流作用下,與其接觸的土體中細(xì)顆粒仍然繼續(xù)流失。但是由于第一級粗顆粒之間搭接后的孔隙總是小于自身特征粒徑的,因此在其上形成的次一級拱架結(jié)構(gòu),其特征粒徑要小于第一級成拱顆粒粒徑,其所能流失的細(xì)顆粒粒徑范圍縮小了,形成的拱結(jié)構(gòu)也相對變小。

4)逐步形成多級拱架結(jié)構(gòu)。在水流作用下,次級拱結(jié)構(gòu)上又能形成更小的拱結(jié)構(gòu),能夠流失的顆粒粒徑也越來越小。就這樣,流失作用造就了一層又一層特征粒徑不同的過濾層,這些過濾層可以很好地排水,截留住細(xì)顆粒。同時(shí),形成的拱架結(jié)構(gòu)可以分擔(dān)真空壓力和來自外部的壓力,具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性。至此,這一層濾層材料外的附加過濾結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有滲透排水和防止土體流失的功能,可以與原先的土工織物材料一起看作新的過濾層體系。

4 結(jié)論

1)透氣真空快速泥水分離技術(shù)能夠使得濾層材料附近的土體中細(xì)顆粒流失出來,在濾層材料保護(hù)的內(nèi)側(cè)土體發(fā)生粗顆粒富集,經(jīng)過濾層材料過濾的尾水中粘粒含量較高。

2)常規(guī)真空抽水方法發(fā)生淤堵時(shí),濾層材料附近不發(fā)生顆粒流失,在濾層材料保護(hù)的內(nèi)側(cè)土體不發(fā)生粗顆粒富集,尾水也與原泥的顆分沒有明顯變化。

3)適當(dāng)允許細(xì)顆粒流失,剩下的粗顆粒在濾層材料內(nèi)側(cè)形成自然分選的拱架結(jié)構(gòu)層,拱架結(jié)構(gòu)層能夠保持淤泥中的細(xì)顆粒不在濾層材料中淤積,同時(shí)保證較好的透水性,解決了淤堵的問題。

4)拱架結(jié)構(gòu)形成是逐步的過程,首先形成較粗1級的拱架結(jié)構(gòu),孔隙較大,粗顆粒較多;在第1級拱架結(jié)構(gòu)外面逐漸形成第2級、第3級等次級拱架結(jié)構(gòu),孔隙逐步變細(xì),細(xì)顆粒逐步增多,直至與原泥顆粒分布相同。

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